面试题：设备管理之设备驱动与内核模块交互基础

设备驱动程序与内核模块交互基本流程

初始化阶段：设备驱动程序作为内核模块被加载时，首先进行自身初始化。这包括分配必要的数据结构、初始化硬件相关的寄存器等操作。例如，网卡驱动需要初始化网卡的物理地址、中断号等参数。
注册阶段：设备驱动向内核注册自身，内核模块提供了相应的注册机制。比如，字符设备驱动通过调用 register_chrdev 函数向内核注册字符设备，将设备的主设备号、次设备号、设备操作函数等信息告知内核。
内核模块响应：内核模块接收到设备驱动的注册请求后，会在内核数据结构中记录该设备驱动的相关信息，如在设备驱动链表中添加该驱动节点，以便后续管理和使用。
运行阶段：当设备有数据传输、中断等事件发生时，设备驱动根据注册的操作函数执行相应动作，内核模块则依据驱动提供的接口与驱动进行交互，如处理设备的中断请求，将设备数据传递给上层应用等。
卸载阶段：当设备不再使用，设备驱动需要从内核中卸载。此时，驱动调用相应的卸载函数，如字符设备驱动调用 unregister_chrdev 函数，内核模块则从其管理的数据结构中移除该设备驱动的相关信息。

设备驱动向内核模块注册自身方式

字符设备驱动：通过 register_chrdev 函数注册，函数原型为 int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)，其中 major 为主设备号，name 为设备名，fops 是设备操作函数集合，定义了诸如 open、read、write 等对设备的操作。例如：

static struct file_operations my_fops = {
   .owner = THIS_MODULE,
   .read = my_read,
   .write = my_write,
};
int ret = register_chrdev(0, "my_device", &my_fops);

块设备驱动：使用 register_blkdev 函数注册，函数原型为 int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)，major 为主设备号，name 为设备名。注册成功后，还需进一步注册块设备的操作函数等。
设备模型相关注册：通过 device_register 函数注册设备，driver_register 函数注册驱动。例如：

struct device my_device;
// 初始化my_device
device_register(&my_device);

struct device_driver my_driver;
// 初始化my_driver
driver_register(&my_driver);

内核模块为设备驱动提供的主要资源或接口

内存管理接口：内核提供了 kmalloc、vmalloc 等函数，用于为设备驱动分配内核空间内存。kmalloc 分配的内存位于低端内存，物理地址连续，适合分配较小内存；vmalloc 分配的内存虚拟地址连续，物理地址不一定连续，适合分配较大内存。例如：

char *buf = kmalloc(1024, GFP_KERNEL);
if (!buf) {
    // 内存分配失败处理
}

中断处理接口：内核提供了 request_irq 函数用于申请中断，free_irq 函数用于释放中断。设备驱动在初始化时通过 request_irq 函数注册中断处理函数，当设备产生中断时，内核调用注册的中断处理函数。例如：

int ret = request_irq(irq_num, my_irq_handler, IRQF_TRIGGER_RISING, "my_device", NULL);
if (ret) {
    // 中断申请失败处理
}

设备管理接口：如 device_register、driver_register 等函数，帮助设备驱动在设备模型中注册设备和驱动，使得内核能够统一管理设备和驱动，实现设备与驱动的匹配、热插拔等功能。
文件操作接口：内核通过 struct file_operations 结构体为设备驱动提供文件操作的框架，驱动需要填充该结构体中的函数指针，如 open、read、write、release 等函数，以实现对设备的文件方式访问。应用层通过系统调用（如 open、read 等）最终会调用到驱动填充的这些函数。
内核同步机制：为防止多线程或多处理器环境下对共享资源的竞争访问，内核提供了信号量（struct semaphore）、自旋锁（spinlock_t）等同步机制。例如，驱动在访问共享设备寄存器时，可以使用自旋锁保护，防止多个 CPU 同时访问导致数据错误。

spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock(&lock);
// 访问共享资源
spin_unlock(&lock);

面试题：设备管理之设备驱动与内核模块交互基础

知识考点

面试题答案

设备驱动程序与内核模块交互基本流程

设备驱动向内核模块注册自身方式

内核模块为设备驱动提供的主要资源或接口